Трансформатор по схеме Скотта

Компания «КПМ» продолжает расширять линейку трансформаторов специального назначения. Новый продукт в её линейке — трансформатор по схеме Скотта.

Трансформатор Скотта относится к классу симметрирующих устройств и устройств преобразования числа фаз. Для понимания его принципа действия имеет смысл обратиться к истории.

Сегодня трехфазная сеть переменного тока является основным видом промышленных сетей, сетей передачи и распределения электрической энергии. Но так было не всегда.

Система трёхфазного тока была предложена Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским в 1890 году. Доливо-Добровольский родился в России, но работал большую часть жизни в Германии. С 1887 года он был сотрудником электротехнической компании AEG (Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft — прекратила свою деятельность в 1990-х годах). Первой трехфазной линией электропередачи стала линия, соединившая гидростанцию на Лауффенском водопаде с выставочным павильоном во Франкфурте. Линия была введена в работу в 1891 году, имела длину 175 км и напряжение 15 кВ. Её питал трёхфазный генератор в Лауффене мощностью 210 кВт (300 л.с.), генераторное напряжение 45-60 В (фазное).

Заслуга М.О. Доливо-Добровольского не только в том, что он предложил трёхфазную сеть, но что он смог показать преимущества такой сети. Особенно для работы электрических машин. Им же предложена чрезвычайно простая машина — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором ("беличьей клеткой"). Таким образом, с 1890-х годов началось массовое строительство и использование трёхфазный сетей и электрических машин.

Но до этого времени проводились множественные эксперименты с другими вариантами — однофазный, двухфазный и даже четырёхфазный вариант сетей.

По двухфазной схеме были выполнены и генераторы на ГЭС на Ниагарском водопаде — первой промышленной ГЭС в мире. Использование энергии Ниагарского водопада началось еще в 1759 году: у водопада прорыли небольшой канал и установили водяное колесо для лесопилки. С развитием электротехники в XIX веке быстро появилась идея использовать гигантскую силу водопада для производства электричества.

Этим занимались (и в процессе обанкротились) целый ряд акционерных обществ. Но в 1882 году на Ниагаре заработал электрогенератор, питавший 16 осветительных ламп. В 1895 году была построена вторая гидроэлектростанция (№2) вблизи первой, а в 1904 году третья станция из двух очередей (№3А и №3В).

Электрооборудование было разработано и произведено фирмой "Вестингауз" (Westinghouse Electric Corporation). Генераторы были изготовлены двухфазными. Но к моменту пуска второй ГЭС преимущества трёхфазного тока были уже очевидными. И сотрудник Westinghouse американский инженер Чарльз Ф. Скотт предложил оригинальную схему из двух однофазных трансформаторов, которая позволяла преобразовывать двухфазную систему в трёхфазную. В последствии Скотт стал профессором Йельского (Yale) университета, президентом Американского института инженеров электриков (сейчас IEEE), был награждён медалью Эдиссона.

Со временем, от двухфазных генераторов повсеместно отказались. Тогда схема Скотта стала использоваться "наоборот" — для преобразования трёхфазной системы переменного тока в двухфазную или две однофазных. Также на основании схемы Скота были разработаны ряд других, более сложных схем преобразования числа фаз и симметрирования. В наше время потребность в подобных преобразователях есть в энергосистемах со специфической нагрузкой, в первую очередь однофазной.

Не секрет, что однофазная нагрузка, при подключении к трёхфазной сети, вызывает несимметрию — нагрузка по каждой из фаз получается разной, напряжения в каждой фазе получаются разными, коэффициент мощности (фазовые углы) отличаются. Такой режим негативно сказывается на работе всех электрических машин, рассчитанных на симметричную трехфазную систему (практически всех двигателей, трансформаторов).

В том случае, если нагрузка распределённая и представляет собой совокупность большого числа абонентов малой мощности (что часто имеет место в сетях 0,4 кВ) в этом случае задача симметрирования нагрузки может быть более-менее решена за счёт распределения абонентов по фазам. В том случае, если единичная мощность нагрузки велика, то распределить её по фазам только за счёт подключения на разные фазы разных абонентов не получится. В этом случае имеет смысл использовать специальные схемы электроснабжения, такие как схема Скотта.

Пример подключения двух секций однофазной нагрузки по схеме Скотта показан на рисунке:

Рисунок 1

В данном случае, если нагрузка в плечах трансформатора Скотта одинакова, то на стороне трёхфазной сети трансформатор будет создавать симметричную трехфазную нагрузку. Как несложно убедиться, при прямом подключении (без трансформатора Скотта) двух блоков однофазной нагрузки к трёхфазной сети, две фазы будут нагружены в значительно большей степени, чем третья. Возникнет несимметричный режим. Таким образом трансформатор Скотта выполняет функции преобразования числа фаз (из 3-х в 2-е фазы) и функцию симметрирования — распределяет два блока однофазной нагрузки на три фазы симметрично.

Область применения трансформаторов Скотта - это преобразовательные агрегаты нагревательных и плавильных установок и другие специальные промышленные установки. Также схема Скотта может быть использована в некоторых устройствах силовой электроники — СТК/SVC, которые пока не нашли широкого применения в России.

Достоинством схемы Скотта является её простота.

К сожалению, если нагрузка в двух плечах трансформатора Скотта не одинакова, то и распределение нагрузки в трехфазной сети окажется не одинаковым. Возникнет несимметрия, хотя и меньшая, чем при прямом подключении. Это является недостатком схемы Скотта. На тяговых подстанциях железных дорог и электрофицированного транспорта (там, где нагрузка тоже часто однофазная, но отличается на разных участках) применяются модифицированные варианты схемы Скотта.

Разработанный ООО «КПМ» трансформатор представляет собой единый конструктив: все обмотки трансформатора Скотта смонтированы на единой прямоугольной раме, что очень удобно. Компактность конструкции облегчает размещение и монтаж оборудования на объекте.

Обмотки выполнены по традиционной для ООО «КПМ» технологии воздушно-барьерный монолит, что позволяет обеспечить высокую перегрузочную способность трансформатора по сравнению с трансформаторами с литой изоляцией.

Мощность трансформатора 1600 кВА. Номинальное напряжение трёхфазной сети 10 кВ, номинальные напряжения плеч однофазных сетей 4,45 кВ. Предусмотрена возможность регулировки коэффициента трансформации.

Габариты основания 1310х1970 мм, высота 1920 мм.